作者：陳瑞九 顏鑫亮 王猛

太陽，是地球生命不可或缺的存在。對于古人來說，太陽如此神秘，他們將其視為神靈和信仰。伴隨著科技的進步，人們逐漸對太陽有了更加深入而理性的認知。

現在我們知道，太陽大約誕生于46億年前，它是離地球最近的恒星，通過核聚變產生巨大的能量，照亮太陽系的星空。然而，關于這個我們看似最熟悉的天體，仍然有很多科學問題并沒有完全清楚的答案，比如：在誕生前，太陽的形成究竟用了多久？它在最近百萬年間的演化中穩定嗎？

最近，一個由多國科學家組成的國際研究團隊，通過一項巧妙的實驗研究，在深入理解這些問題的進程中邁出了重要一步。

01

原子核性質研究解碼太陽形成時間

從分子云團到最終成型，太陽的形成其實是一個漫長的過程。科學家們發現，通過分析太陽形成初期產生的長壽命放射性核素的衰變產物，可以推斷出太陽形成所需的大概時間。

這些放射性核素主要通過慢中子俘獲過程產生，而這一過程發生在太陽系附近的漸近巨星分支（AGB）恒星中。盡管46億年間，這些核素早已全部衰變，但它們的衰變產物仍然在隕石中留下了可以被檢測到的微量過剩豐度。

圖 太陽系與AGB恒星藝術圖 圖源| Danielle Adams for TRIUMF

在這些核素中，鉛-205是較為特別的一種。在地球上，它的半衰期長達1700萬年，而且是唯一一種僅由慢中子俘獲過程產生的放射性核素。它的豐度為研究太陽形成提供了獨特的科學依據。

在AGB恒星環境中，鉛-205的最終豐度由鉛-205與鉈-205之間的衰變率決定。有趣的是，在恒星環境中，鉛-205與鉈-205的衰變關系就如同是“蹺蹺板”，兩個方向的衰變都有可能發生。幾億開爾文的溫度足以使鉈-205原子完全電離,并通過一種極為罕見的衰變模式（束縛態β衰變）產生鉛-205的第一激發態。鉛-205的第一激發態僅比基態高出2.3千電子伏特，在高溫環境中，鉛-205有很大的概率處于激發態上。反過來，處于激發態的中性鉛-205也能更快地通過軌道電子俘獲衰變成鉈-205。

圖 鉈-205和鉛-205在天體環境中元素合成過程的路徑及相關能級信息。左圖表示與鉈-205和鉛-205相關的慢中子俘獲過程路徑（藍色箭頭）以及其它核衰變路徑。右圖顯示了鉈-205和鉛-205在不同電離狀態下的能級關系。圖源| Nature

影響鉛-205與鉈-205之間衰變率的決定性因素是恒星的溫度、電子密度以及核躍遷強度。而核躍遷強度正是衰變率理論計算中最大的未知數。

長期以來，因為實驗測量完全電離離子的束縛態β衰變非常困難，科學家們一直無法得到相應的核躍遷強度，也就無法清楚了解AGB恒星中鉛-205的產生機制和準確豐度。

02

一項跨越40年的創新實驗研究

這個未知數由近期發表于雜志上的一項巧妙實驗得到了揭曉。來自12個國家、37個機構的科學家組成的國際研究團隊首次成功測量了全剝離的鉈-205離子的束縛態β衰變壽命，從而成功推導出核躍遷強度。

科學家們希望通過實驗來研究在恒星中發生的稀有衰變。而要實現測量，就必須創造條件，在實驗室中模擬恒星的環境。在地球上，鉛-205通過軌道電子俘獲衰變為鉈-205。由于鉛-205與其子體鉈-205之間的能量差異極小，考慮到核外電子的束縛能后，這個衰變過程可能被倒轉過來。也就是說，如果所有電子都被移除，衰變中母體和子體的角色就會顛倒，鉈-205會經歷束縛態β衰變成為鉛-205。

從20世紀80年代提出實驗設想到最終實現，這項充滿挑戰性的研究凝聚了數十年的技術積累和幾代科學家的努力。這一測量首先要產生全剝離的205Tl81+離子，并將其保持在全剝離狀態數小時以上。在全球范圍內，目前只有GSI/FAIR重離子實驗儲存環（ESR）與碎片分離器（FRS）結合的設施能夠實現這一目標。

圖 GSI/FAIR重離子實驗儲存環 圖源| GSI/FAIR

為了滿足實驗需求，團隊還研發了多項關鍵技術，包括通過核反應生成全剝離的鉈-205，在碎片分離器中進行目標離子的純化和分離，以及在儲存環內對離子進行積累、冷卻、儲存和測量等技術。

實驗結果遠超過現有理論預期。測量得到的205Tl81+束縛態β衰變半衰期約為291天，是理論預期值的4.7倍。基于該測量結果，研究團隊成功推導出相應的核躍遷強度，并進一步準確計算出鉛-205與鉈-205“衰變對”在AGB恒星條件下的衰變率。

圖 實驗裝置示意圖 圖| 陳瑞九

研究團隊將實驗結果結合天體物理模型，成功計算出了鉛-205在AGB恒星中慢中子俘獲過程的產生量，并通過與隕石中監測到的鉛-205的豐度相比較發現：從母分子云形成太陽的時間為1千萬到2千萬年。該結果與通過其它放射性核素（由慢中子俘獲過程產生）推導出來的結果一致。

033

了解太陽演化歷史的突破口

這項實驗研究，還為人們理解太陽長期穩定性提供了重要信息。

太陽在核聚變過程中會釋放出中微子，這些粒子為我們探索太陽內部動態提供了重要線索。盡管現代中微子探測器能夠揭示太陽當前的活動情況，但太陽在數百萬年間（這一時間段內地球曾經歷顯著的氣候變化）的穩定性仍是一個未解之謎。

為了深入研究這一問題，科學家于上世紀80年代提出紅鉈礦實驗（LOREX）。該實驗利用北馬其頓境內Allchar礦場富含紅鉈礦的地質資源，旨在測量過去400萬年間太陽中微子通量的平均值。LOREX是目前唯一還在運行中的研究太陽中微子長期歷史的地球化學實驗。

圖 紅鉈礦 圖源| LOREX合作組

太陽核心的質子-質子聚變反應產生的中微子能量極低（小于422千電子伏特），探測這些中微子極具挑戰性。而鉈-205在已知核素中具有最低的中微子俘獲閾值（50.6千電子伏），是探測太陽中微子的理想核素。

太陽產生的中微子與紅鉈礦中的鉈-205原子相互作用，將其轉變為鉛-205原子。鉛-205在地球上的半衰期長達1700萬年，其在400萬年地質時間內幾乎完全穩定，因此它能很好地記錄太陽中微子活動。然而，因為鉈-205的中微子俘獲截面極小，至今無法直接測量。

基于上文提到的全剝離鉈-205離子束縛態β衰變壽命的實驗測量，研究團隊間接獲得了核躍遷矩陣元的大小，從而首次精確計算了鉈-205的中微子反應截面，并得出太陽中微子總俘獲率為92±14SNU（太陽中微子單位）。相關研究發表在上。

圖 鉈-205（205Tl81+）離子的束縛態β衰變過程及其產物鉛-205（205Pb81+）的生成示意圖。該實驗通過高精度儲存環測量，為研究太陽形成時間、AGB恒星中放射性同位素的產生機制及太陽中微子通量測量實驗提供了重要數據。圖源| GSI MPIK NASA

這項研究成果為LOREX實驗未來的發展指明了方向。根據實驗數據估算，每克純紅鉈礦樣品中僅有約14(4)個鉛-205原子由太陽中微子產生。LOREX實驗目前從10.5噸Allchar礦石中僅提取了405.5克純紅鉈礦晶體，總計約含5677(1622)個鉛-205原子，信噪比僅為3.5倍標準差。這使得在現有實驗條件下實現統計顯著的測量難度極大。要提高實驗靈敏度，LOREX需要收集更多純化紅鉈礦晶體，同時從更深的地質層采樣以減少宇宙線和地質因素帶來的系統誤差。

雖然還面臨較大挑戰，但如果科學家們未來能夠成功確定紅鉈礦中鉛-205原子的豐度，將為太陽在過去400萬年間的演化歷史及其與地球氣候變化之間的聯系，提供重要的科學見解。

中國科學院近代物理研究所儲存環核物理室作為這兩項研究的主要貢獻團隊，在實驗開展、數據分析等方面發揮了重要作用。

論文鏈接：

作者| 陳瑞九 顏鑫亮 王猛

編輯| 劉芳

審核| 周小紅

本文轉載自《中國科學院近代物理研究所》微信公眾號

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